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1、火工呈电子工程设计报告题目：温度测量系统/闭环温度控制系 统设计IIIIII专业：电子科学与技术小组：第8小组姓名学号：王丹阳11023224 覃业泰11023226 李赉龙11023228指导教师：高新完成日期：2013.12.15中文摘要本电子工程设计的任务是完成一套小型的温度测量与控制系统。这个系统需 要完成非电量到电量信号转换、信号处理、数据采集、数据处理、人机交互、数 据通信、控制等设计工作，几乎覆盖一般电子系统的所有设计环节。其中包含有 三个阶段。本报告为第二阶段内容，在第一阶段电源模块、变送器模块，驱动器 模块的基础上，又包含：单片机模块的设计与实现；数模转换模块的设计与实现；模
2、数转换模块的设计与实现；键盘显示模块的设计与实现。在上述七个模块的基础上，通过软件设计完成环境温度的显示与闭环温度控 制两大功能。并通过键盘很方便的进行两大功能的自由切换和目标控制温度的设 定。本报告针对以上模块分别详细给出了设计要求、方案设计、电路设计、原 理分析、电路调试、电路故障等方面的内容，以完整反映实验过程。关键词【关键词】单片机；温度；闭环控制目录中文摘要1关键词11课题背景41.1课题背景4.1.2设计概述4.2简单电路的模块化设计与实现52.1单片机应用电路设计与实现5.2.1.1基本要求5.2.1.2设计方案6.2.1.3单片机系统的调试8.2.1.4调试中遇到的问题102.
3、2模/数转换电路设计与实现102.2.1实验要求11.2.2.2设计方案112.2.3电路主要参数计算122.2.4模数转换电路模块的调试142.3显示与键盘控制电路设计与实现162.3.1基本要求：162.3.2设计方案：162.3.3显示模块模块的调试182.3.4键盘模块的调试202.4数/模(D/A)转换电路设计与实现222.4.1基本要求：222.4.2设计方案222.4.3数模转换模块的调试243整体电路的调试与功能实现263.1环境温度显示功能的实现273.2闭环温度控制功能的实现2.7附录29附录一、环境温度显示源程序29附录二、温度闭环控制源程序31附录三、参考文献361课题
4、背景1.1课题背景在化工、石油、冶金等生产过程的物理过程和化学反应中，温度往往是一个 很重要的量，需要准确地加以控制。因此以温度作为被控制量的反馈控制系统广 泛的应用于其他领域，是用途很广的一类工业控制系统。温度控制系统常用来保 持温度恒定或者使温度按照某种规定的程序变化。目前，温度控制系统是应用最广泛的闭环控制系统，不但走进了工厂，而且 走进了千家万户，为老百姓服务。本课程通过对闭环温度控制系统的设计与实现， 逐步掌握系统的设计方法与设计流程，掌握单片机应用系统的设计与调试，并锻 炼在调试中发现问题、解决问题的能力。1.2设计概述本报告所涉及的小型温度控制系统为教学实验系统，所以只提出功能、
5、指标 和采用元件的设计要求。(1) 温度控制范围：0C100C(2) 测温元件：半导体温度传感器AD592(3) 温度控制执行元件：半导体制冷片(4) 核心控制部件：C8051F系列单片机小型温度控制系统基本组成如图所示:图1. 1系统整体功能框图需要说明的是本报告是在第一阶段一一简单电路的模块化实现的基础上，通 过更加复杂电路的设计与实现，并配合相关软件设计，共同完成温度控制任务。 一般来说一个比较复杂的电路系统，可以按照电路实现的功能或电路的类型分为 若干个模块。其中有些模块与其它模块之间的界面清晰，入口参数和出口参数明 确，能够独立工作，这类电路模块可以称之为独立电路模块。为了简化系统电
6、路 的设计工作，并且使系统便于组装、调试，这类电路模块可以单独进行设计、实 现和调试、检测。本阶段的设计任务仍然采取模块化的方法，分模块进行设计与焊接、调试。 这样可以有效降低模块设计的难度，分模块调试，也是调试更加方便，降低了系 统失败的风险。本阶段上上阶段已完成电源模块、变送器模块和驱动器模块的设 计与实现的基础上。继续完成单片机模块、AD模块、DA模块、键盘显示模块 的设计与实现。并在各模块的基础上完成软件设计，实现环境温度的采集与显示， 环境温度的闭环控制两大功能，成功完成了预期目标。2简单电路的模块化设计与实现2.1单片机应用电路设计与实现2.1.1基本要求片选信号：6个地址信号：4
7、个数据总线：ADQ-AD7控制信号：WR, RD安装：独立电路板结构2.1.2设计方案采用以MCS-51(C8051F023)为核心的单片机做为控制芯片。MCS-51系列单片机有众多性能优异的兼容产品、成熟的开发环境、世界上最大的单片机客户群、高性价比、畅通的供货渠道，是初学者的首选机型。本电路直接采用成品单片机最小系统版，最小系统版内置晶振与复位电路， 可以简化设计，方便焊接，也增加了设计与实现的成功率。是单片机模块更加可日靠。T40 TT T0 29- -9X1R18.2 KC22 2pC31 0u FC122厂UTVCC 0EA/VpALE /P PSEN RESET80518X2GND
8、图2. 1典型的51单片机的最小系统电路图P10P11P12P13P14P15P16P17P20P21P22P23P24P25P26P27T-23568nT4,2628本次设计采取总线结构，把单片机的P1 口作为数据总线接口，P1、P2 口联 合使用作为地址总线接口。通过总线结构设计，可以有效减轻软件设计难度，也 是单片机控制的多个功能部件更加协调一致的工作。L功能扩展柩图 D0-D7模拟量 输入键盘 CS控制 盅电路显示 嬴电路数换路 模转电 CS糜1数模1 CS转换 笛决电路L模拟量 输出图2. 2单片机总线设计框图如图2.2所示，控制系统在数据/地址传输上采用数据/地址分离设计；在控 制
9、上采用部分译码电路。数据/地址分离电路设计：单片机模块P3 口为数据/地址复用端口，为了得到低8位地址，采用74LS373锁存器构成典型的数据/地址分离电路。地址译码电路设计：采用74LS138构成部分译码电路。具体电路图如下：图2. 3单片机系统设计电路图为便于各模块协调一致的工作，电路设计统一接口模式，方便调试与查错，单片机模块安装接口如图2.4所示。ADOAD1AD2AD3ADdAD5AMAD7KD叫INTOCSOCS1ALLCS2ADCS3AlCS4A2CSSA3单片机电路svDGNDDGKD-12站+12VACM)-12V-12V图2. 4单片机模块装结构图2.1.3单片机系统的调试
10、调试平台：电子工程设计训练调试台调试内容：地址译码电路输出检测适用电路：部分地址译码电路测试设备：JTAG适配器单片机应用系统板150MHz数字双踪示波器调试方法：1、检查电路连线无误后，将电路板安装在测试台上2、断开译码电路负载，运行测试程序，检查各输出引脚是否有输出，各个 输出之间相对位置关系是否正确；3、用示波器观察CS0- CS5引脚，应有图示的波形输出。如果没有输出或 者彼此关系错乱，都表明电路中存在故障。CS0 CS5输出波形图如图2.5所示：I II II IICS0：1 II11 rcsi：1 II II U CS2：CS3：图2. 5单片机模块调试波形图调试程序：#inclu
11、de C8051F020.h#include absacc.h#include data_define.c#define C1 XBYTE0x0000#defineC2XBYTE0x2000#defineC3XBYTE0x4000#defineC4XBYTE0x6000#include Init_void main(void)Device.cInit_Device();while(1)C1=0; C2=0; C3=0; C4=0;2.1.4调试中遇到的问题刚开始调试的时候，我们用示波器观察CS0-CS5的波形，但是并没有得到 正确的波形。后经检查，发现老师提供的测试程序的译码地址与我们的硬件电
12、路 并不匹配，查电路设计图后，修改程序译码地址，最终得到正确波形。完成了单 片机模块的设计与调试。表2. 1常见故障及原因故障现象故障原因输出全部没有变化74LS373未接电源输出全部没有变化74LS373 漏接+5V输出全部没有变化74LS373漏接地线输出全部没有变化未接ALE或ALE无效输出关系混乱AD0 AD3 接错对应引脚无输出AD0 AD3 漏接2.2.1实验要求输入信号范围：0V+5V分辨率：8bit精度：1LSB转换时间： 1ms安装：独立电路板结构2.2.2设计方案本次设计AD转换电路采用芯片ADC0804,芯片主要参数如下：工作电压：+5V，即VCC=+5V。模拟输入电压范
13、围：0+5V，即0WVinW+5V。分辨率：8位，即分辨率为1/2=1/256，转换值介于0255之间。转换时间：100us (fCK=640KHz 时)。转换误差：1LSB。参考电压：2.5V，即 Vref=2.5V。模数转换器，是将模拟电信号转变成计算机能识别的数字信号。在模数转换 中，应根据测量精度要求，考虑转换电路的精度和分辨率，并力求降低成本。模 数转换有多种方法可以实现，如采用电压/频率变换器，以频率或脉宽来计算温 度，也可以采用A/D变换器或其它方法。如采用A/D变换器，应考虑转换器输 入阻抗和变送器输出阻抗对信号的衰减可能引起的测试误差，并尽量降低这一误 差。板间连接应注意保护
14、。根据课设要求，温度0100的变化是用电压0 5V表示的，转成数字表示，即0FFH。AD电路模块电路图如图2.6所示012 34 5 67DDD DDDDD图2. 6AD模块工作的时序图如图2.7所示。图2. 72.2.3电路主要参数计算(1)转换精度：A/D转换器也采用分辨率和转换误差来描述转换精度。分辨率是指引起输出数字量变动一个二进制码最低有效位(LSB)时，输入 模拟量的最小变化量。他反映了 A/D转换器对输入模拟量微小变化的分辨能力。 在最大输入电压一定时，位数越多，量化单位越小，分辨率越高。转换误差通常用输出误差的最大值形式给出，常用最低有效位的倍数表示， 反映A/D转换器实际输出数字量和理论输出数字量之间的差异。
